冲击矿压的声发射监测技术与应用.ppt

,冲击矿压的声发射监测技术与应用,ApplicationofAcousticEmissionMonitoringTechnologytoRockburst,,主要内容,引言声发射评价冲击危险机理煤岩样声发射特征实验现场实践结论与探讨,,我国煤矿逐步进入深部开采阶段，冲击矿压等煤岩动力现象急剧增加；冲击矿压为国内外研究的难点，有效监测和预测一直没有较大的突破。,1引言,岩体声发射是岩体破坏过程中弹性能释放产生的弹性波。声发射与岩石破坏过程具有非常好的相关性，与岩体内部的损伤有直接关系。现有研究多是基于实验室小尺寸煤岩样，研究在不同应力状态与加载方式其破坏过程声发射的特征与耦合规律，利用声发射系统进行现场监测应用还较少。,1引言,2声发射评价冲击危险机理,2.1声发射与煤岩体破坏的耦合规律,由煤岩体声发射产生机理可知，声发射与煤岩受载破坏过程中内部微裂纹的产生与扩展（损伤）直接相关，因此岩石声发射与岩石损伤参量存在必联系。,,,设单位面积岩体破坏时的声发射率为nw，则当破坏面积为dA时声发射事件数dΩ为dΩnwdA；当整个面积A0破坏时的声发射累积量为Ω0，则有dΩΩ0dA/A0。产生应变dε对应的破坏面积dA可表示为,其中Φε为岩体微元的统计分布函数，一般采用威布尔分布，则有,,，故应变为ε时声发射的累积量,,，由损伤变量的定义不难得出,,煤岩体的损伤程度可以利用声发射的累积量表示，利用声发射相关参数变化可以评价煤岩体的稳定性以及冲击危险性。,2声发射评价冲击危险机理,,2.2声发射评价冲击危险的原理,煤岩体的损伤破坏程度与声发射累积量成正相关，当应变εt1增加至εt2时有,,,,当Δt→0时，煤岩体在破坏失稳前裂纹会呈现非稳定的加速扩展，因此裂纹的加速非稳定扩张可以作为煤岩体破坏的前兆信息，上式确定了t时刻岩石在载荷作用下，声发射与煤岩体破坏过程之间的关系，也即是声发射评价冲击危险关系。,2声发射评价冲击危险机理,由上述关系式可定义声发射评价冲击危险程度的指标,利用Zt可对冲击危险性进行级别划，通常有两种划分方法，临界值法与偏差法。临界值可以利用实验室测试和现场观测确定。通过在现场一段时间内声发射参数的平均值为标准，对于某个单位时间T，确定相对于指标的偏差（百分比），依据此偏差将危险等级划分为a,b,c,d四个等级。如下表。其中a无危险；b弱危险；c中等危险；d强危险。,2声发射评价冲击危险机理,表1小时偏差评价冲击危险准则Table1RockurstriskuationcriterionbasedonHoursdeviation,2声发射评价冲击危险机理,,煤岩物理力学性质不同，其破坏过程中声发射的特征规律也有所不同，利用声发射技术进行冲击危险监测评估前，要掌握煤层破坏全过程的声发射演化规律，因此需要在实验室研究具体煤样的声发射特征。加载系统使用深圳“三思”压力机，声发射监测为美国PAC公司生产的DISP-24通道岩层失稳声发射系统。试验时声发射前置放大为40dB，探头中心频率为7.5KHz，门槛值设定为60dB。,3煤岩声发射特征实验室测定,,图1试验系统示意图Fig1Schematicdiagramofexperimentalsystem,3煤岩声发射特征实验室测定,,图2为典型的煤样破坏全应力-应变曲线。煤样的冲击倾向性较强；煤样表现为脆性破坏；破坏主过程震动强烈。,,图2典型煤样全应力应变曲线图Fig2Completestress-straincurveoftypicalcoalsample,3煤岩声发射特征实验室测定,,,图3煤样破坏过程中声发射能量与计数图Fig3EnergyandcountofAEduringthefractureofcoalsample,3煤岩声发射特征实验室测定,强冲击倾向性煤样弹性变形阶段声发射能量很低，计数率则处于相对稳定阶段，表明煤样内部的微裂纹的发展处于相对稳定状态。屈服阶段，能量与计数均大幅上升，表明煤样内部裂纹扩展速度增加，裂纹的相互贯通形成大量的声发射信号，试样进入失稳状态。主破坏前能量呈持续上升趋势，而计数率则先于能量率出现持续上升趋势，但是在临界主破坏，却出现了下降，表现为一段“平静期”。,3煤岩声发射特征实验室测定,强冲击倾向煤样破坏前声发射能量率在一段时间内非常小，能量释放集中在主破坏时刻，增加了预测的隐蔽性与难度，在现场实践中应将声发射的能量阈值降低以保证能够扑捉更多有用信息，同时计数率的“平静”现象应重点关注。,3煤岩声发射特征实验室测定,,4.1工作面简介,某矿煤层地质构造简单，目前正在开采的是二水平首采区的第二个工作面，面长201m，倾角5左右，与相邻采空区之间留有20m煤柱，开采深度700m左右。工作面顺槽掘进和回采过程中，发生了几十次冲击矿压现象，表现为运输顺槽两帮严重变形、底臌100mm-1800mm，机电设备损坏等，严重影响矿井安全生产。,4现场实践,,,为此该矿在全国首次引进波兰开发的ARES-5声发射监测系统，如图所示。对采掘工作面小范围（200m以内）煤岩体进行连续监测，统计声发射事件的频次与能量，利用偏差值变化判断冲击危险等级。该系统广泛应用于波兰冲击矿压矿井，并且给予此系统已制定出相关评价标准与规章制度。,4现场实践,图4“ARES”声发射监测系统结构图Fig4Structurediagramofthe“ARES”AEsystem,4现场实践,4.1声发射监测冲击危险规律,从声发射与煤岩体损伤破坏的耦合关系可以看出，声发射频次和能量值的变化趋势能够反映工作面的危险程度。偏差值与煤岩体危险状态密切相关，所以，偏差值的变化代表了危险状态的变化，可以制定基于表1以工作班（8小时）为单位评价冲击危险评价方法。表2为发生在250102运输顺槽中冲击事件。,4现场实践,,,,,,,,（a）8月31日冲击矿压发生前声发射危险性,4现场实践,（b）10月5日冲击矿压发生前声发射危险性,4现场实践,（c）1月5日冲击矿压发生前声发射危险性,4现场实践,虽然ARES-5声发射系统的工作原理是以震动事件的变化为基础的，但通过对系统接收到的时间序列信息，对其进行统计分析，依然能够得到类似微震的变化规律。从一个角度反应了地音可以和微震、电磁辐射相互配合，取长补短，从而达到更好的效果。图5与图6分别为两类最常见的冲击矿压发生前声发射频次与能量的变化图。,4现场实践,,图57月10日矿压显现声发射参数变化图Fig5VariationofAEparametersduringstratabehaviorsatJuly10th,4现场实践,,图68月1日矿压显现声发射参数变化图Fig6VariationofAEparametersduringstratabehaviorsatAugust1th,4现场实践,从图5和图6可以看出，在冲击矿压发生前声发射的参数值都有增加的过程，图5表现的是两者持续上升，而图6则是出现了较长时间的“平静”后急剧上升。这两种变化趋势是最危险的，与矿井微震的变化趋势有相类似。,4现场实践,高冲击危险的声发射时间序列主要有以下特点声发射能量与频次持续升高，在冲击前速度加快；声发射参数出现下降后保持“平静”，并且持续时间较长，后急剧上升，表明能量经过积聚后快速释放；各通道能量和次数都有所升高，并表现出很强的一致性时，预示着煤岩体内部大范围运动破裂，持续一段时间，工作面危险性较高。,4现场实践,煤岩体损伤与声发射具有耦合关系，损伤程度可用声发射参数表示。利用煤岩体声发射参量，可以建立煤岩体破坏的危险等级准则。,5结论与探讨,现场利用波兰声发射系统对冲击危险工作面进行监测，结果表明声发射应用于冲击危险评估是可行的。目前国内现场声发射应用处于起步阶段，缺乏理论与经验的指导，更缺乏适合我国煤矿的评价准则，因此，声发射的推广应用还有大量工作要做。,5结论与探讨,谢谢,